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钻井过程中,有效阻止或减缓水进入油气储层是防塌、保护储层的重要途径,普通钻井液成分相对于页岩不能形成致密泥饼阻止液体入侵。纳米材料尺寸小,可以进入页岩孔隙堵塞孔喉,形成紧密泥饼,减少液体入侵,降低钻井液滤失量,但纳米微粒表面能大,容易相互吸引形成团聚沉淀,影响在钻井液中的应用。因此,研究纳米材料在钻井液中的分散技术及分散机理具有较强的实际工程价值和理论意义。根据固体纳米材料基本物理化学性质、水相沉降性能和钻井液滤失性能评价优选出3#纳米碳酸钙作为论文研究对象,并通过扫描电镜SEM分析观察纳米碳酸钙原始形貌和团聚形态。利用聚乙二醇(PEG)、羧酸盐、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)、十二烷基硫酸钠(SDS)、KH-550和聚丙烯酰胺(PAM)六种分散剂对纳米碳酸钙进行分散改性,并通过沉降稳定法和分光光度法对其分散效果进行评价,确定采用羧酸盐作为分散剂分散改性纳米碳酸钙。通过吸光度比值r24和粒径分布优化分散条件,得到最佳分散工艺,添加4wt%羧酸盐,在pH为9的分散环境,经超声波清洗器超声处理9min,可以使纳米碳酸钙分散性能达到最好,颗粒沉降最慢。通过扫描电镜、激光粒度仪和ζ电位分析仪对纳米碳酸钙分散效果进行评价,结果显示纳米碳酸钙达到最佳分散效果,团聚堆积现象基本消失,颗粒处于一次分散状态,且粒径分布集中,中值粒径d(0.5)为357nm。为了进一步探讨羧酸盐分散纳米碳酸钙的机理,论文通过对羧酸盐在纳米碳酸钙表面上吸附行为、纳米碳酸钙表面双电层和纳米碳酸钙分散前后润湿性的研究分析了ζ电位、分散剂吸附量、pH三者关系,发现羧酸盐在纳米碳酸钙上最大吸附量为5%,最大ζ电位值为-47.7mV,羧酸盐过多会因为聚电解质双电层压缩和疏水性长链相互缠绕影响分散效果,pH的增加减弱了羧酸盐在碳酸钙表面的吸附,但有利于其电离程度的增加,使颗粒表面ζ电位绝对值增大。最后通过分散稳定公式VT=VA+VR+VS+VST总结出分散作用机制,羧酸盐分散纳米碳酸钙过程复杂,在吸附层空间位阻、溶剂化作用能和表面ζ电位静电排斥力共同作用下,纳米碳酸钙达到最佳分散状态。论文通过滤失性能、润滑性能、流变性能、页岩回收率和线性膨胀率的测定对固体纳米材料在钻井液中的应用性能进行评价,研究结果表明分散纳米碳酸钙在钻井液中应用效果良好,纳米钻井液API滤失量为6mL,经高温滚子炉24h热滚后能耐140℃C高温,降滤失性能突出,水化膨胀性测试结果显示,纳米钻井液能有效抑制页岩水化膨胀,膨胀率仅15%,页岩滚动回收率较高,达到了88.6%,且显现出良好的润滑性能,润滑系数降低率为84%。